JPH03193675A - セラミックスの電気接合方法及び電気接合用インサート材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、セラミックス同士の接合または金属との接合
に好適な電気接合方法及びその接合用インサート材に関
するものである。

〈従来技術と発明が解決しようとする問題点〉現在一般
に行われている接合は、被接合部材全体を加熱炉中に入
れ、全体を均一に加熱して接合する接合方法である。し
かし、この方法では、大型品、長尺物、または小物でも
生産量にバラツキがある場合、加熱炉も大きくなり、設
備コスト、生産コストが大きくなるので、被接合部材の
突合せ部のみを加熱する局部加熱法が望まれている。

この局部加熱法を用いたガラス接合法が、特公昭５３−
２９１６７号に示されているように、絶縁性セラミック
ス（ガラス）間にガラスろう材を被覆した金属薄板を介
在させて押しつけ、この金属薄板に通電することにより
、金属薄板を発熱させてガラスろう材を溶融し、金属薄
板をそのまま埋込んだ状態で絶縁性セラミックス（ガラ
ス）同士を接合している。

しかしながら、被接合部材が導電性である場合、絶縁性
のガラスろう材が溶融すると、ろう材が流れ出て非常に
薄くなり、局部的に金属薄板と導電性の被接合部材とが
接触することがあるために、通電電流が被接合部材へ分
流して、局部的に加熱不足になり急速に冷却される。こ
のような絶縁不良が時間的、場所的に発生、消滅するこ
とがあるために、不均一な加熱状態になり、接合不良を
起こすという問題があった。

そこで、このような絶縁不良を防止するために、ガラス
ろう材を厚くすることも考えられるが、接合層が厚くな
り、強度が弱くなるという欠点がある。

一方、特に金属とを接合する場合、種々の金属。

セラミックスの組み合わせに適用できる点で、ガラスろ
う材よりも活性金属などの金属ろう材が一般的に用いら
れているが、上記の方法では、導電性である金属ろう材
は使用できないという問題があった。

また、絶縁性セラミックス同士の接合においても、内部
に膨脹率の大きい金属発熱体を含むと、その膨脹率の差
から、その界面近傍で強度の比較的弱いろう柱部分に最
大熱応力が発生するために、接合体強度が小さいという
問題がある。

〈問題点を解決するための手段〉 本発明は、上記の問題点を解決するために、請求項１に
おいては、セラミックスと金属またはセラミックス同士
の電気接合において、被接合部材間に、通電端子を除い
て発熱体が埋設された絶縁性セラミックスを備えた電気
接合用インサート材を介在させて突合せ、通電端子間に
電流を通じることにより、発熱体に生じるジュール熱に
よって、突合せ部及びその近傍を直接加熱して接合する
ことを特徴としている。

また、請求項２においては、セラミックスと金属との電
気接合に際して、被接合セラミ・ツクスと金属部材との
間に、通電端子を除いて発熱体が埋設された絶縁性セラ
ミックスの片面にメタライズ層または少なくとも一層か
らなる熱応力緩和部材を備えた電気接合用インサート材
を介在させて突合せ、通電端子間に電流を通じることに
より、発熱体に生じるジュール熱によって、突合せ部及
びその近傍を直接加熱して接合することを特徴としてい
る。

さらに、請求項３においては、セラミックスと金属また
はセラミックス同士の電気接合用インサート材であって
、通電端子を除いて発熱体が埋設された絶縁性セラミッ
クスを備え、または絶縁性セラミックスの片面にメタラ
イズ層もしくは少なくとも一層からなる熱応力緩和部材
を備えたことを特徴としている。

く作　用〉 以上のような方法及びインサート材とすることにより、
被接合部材への通電電流の分流が防止されるので、被接
合部材の突合せ部及びその近傍を集中的かつ均一に加熱
させることができる。特に金属などの導電性を有する被
接合部材とを接合する場合に、本発明が最大限に発揮さ
れる。

〈実施例〉 実施例１ 第１図は、本発明の第１の接合方法を示す実施例の概略
断面図であって、セラミックスと金属とを接合する場合
を示している。まず、被接合部材１を絶縁性ＡＪ！２０
３セラミックス（φ１０Ｘ５龍）、被接合部材２をコバ
ール（φ１０Ｘ１０Ｘ５とし、この間に、絶縁性Ａ１ｚ
Ｏ３セラミックス３内にＭｏを主成分とするの発熱体４
を一体焼結した電気接合用インサート材５（φ１０Ｘ１
關）を配設する。配設に際しては、インサート材５の被
接合セラミックス１面側にＰｂＯ／ＢｚＯａ／Ａ１２０
３　／Ｓ　ｉ　０２系酸化物ソルダーからなる接合剤６
を、またインサート材５の被接合部材２側にＴ　ｉ　／
　Ａ　ｇ　／　Ｃｕ活性金属ろうの接合剤７をスクリー
ン印刷により塗布し、これを乾燥させる。

発熱体４には通電端子４ａ、４ｂが設けられており、接
合後、不必要であれば、加工により除去する。つぎに、
以上の各部材からなる構成体を、接合方向に約０．１Ｍ
Ｐａの圧力Ｐを加えて固定する。

このような構成において、接合雰囲気を真空とし、通電
端子４ａ、４ｂ間に電圧を印加して、電力を制御しなが
ら徐々に加熱し、インサート材表面温度を約９００℃で
１０分間保持した後、徐々に室温まで冷却し接合を完了
した。接合強度については、常温でせん断試験を行った
結果、約６　ｋｇ／　ｍｍ　２の強度を得た。

実施例２ 第２図は、本発明の第１の接合方法の他の実施例を示す
概略断面図であって、セラミックス同士を接合する場合
を示している。まず、被接合部材１及び被接合部材２′
を共に５１３Ｎ４セラミツクスとしく　１（Ｉｍ＋ａ　
Ｘ　１０ｍｍ　Ｘ　２０ｍｍ　）　、この間に、Ｓｉ３
Ｎ４セラミックス３内にＳｉ３Ｎ４とＴｉＮとからなる
複合セラミックスの発熱体４を一体焼結した電気接合用
インサート材５　（１ｏｉｎ　Ｘ　１（ｌ止Ｘ　３龍）
を配設する。配設に際しては、インサート材５の両面１
：Ｐ　ｂ　Ｏ／　Ｂ２０３　／Ａｆ　２０３　／　Ｓ　
ｉ０２系酸化物ソルダーからなる接合剤６，７を塗布し
た。つぎに、以上の各部材からなる構成体を、接合方向
に約０．１ＭＰａの圧力Ｐを加えて固定する。

このような構成において、接合雰囲気を真空とし、実施
例１と同様の通電端子４ａ、４ｂ間に電圧を印加して、
徐々に加熱しインサート材表面温度を約９５０℃で１０
分間保持した後、徐々に室温まで冷却し接合を完了した
。接合強度については、接合体より３　＋ｎ＋ｓ　ｘ　
４　ｍ＋ｓ　Ｘ　４０　ｍｍの曲げ試験片を切り出し、
常温で４点曲げ試験を行った結果、約１４ｋｇ／ｍｍ２
の強度を得た。

以上の実施例１，２において、接合剤６，７は同種また
は異種であってもよく、被接合部材１と被接合部材２　
（２’　）との組み合せにより、適宜選択する必要があ
るが、一般にセラミックス同士では、無機物ソルダー、
活性金属などが使用でき、一方、セラミックスと金属と
では、金属側の接合剤がぬれ性、反応性および応力緩和
の点から、活性金属が好適である。

また、加熱時の接合剤中の温度は、被接合部材の材質、
形状、大きさなどに左右され、必ずしも同一ではないた
めに、インサート材５内の発熱体４からの絶縁性セラミ
ックス３のそれぞれの厚みを変えることにより、最適接
合温度にすることができる。

さらに、被接合部材の組み合せは、絶縁性セラミックス
、導電性セラミックス、金属のいずれでも接合可能であ
るが、特に従来例との比較においては、セラミックスと
金属との接合に好適である。

実施例３ 第３図は、本発明の第２の接合方法を示す実施例の概略
断面図であって、セラミックスと金属との接合に際して
、メタライズ層を形成した場合を示している。まず、被
接合セラミックス２１を絶縁性Ａｌ２Ｏ３セラミックス
（φ１ｏ×５市）、金属部材２２をコバール（φ１０Ｘ
５＋ｏｎ＋）とし、この間に、絶縁性ＡＪ！２０３セラ
ミックス３内にＭｏを主成分とする発熱体４を一体焼結
し、がっそのセラミックスの片面にＣｕを主成分とする
層にＮｉメツキしたメタライズ層１ｏを形成した電気接
合用インサート材５（φ１０Ｘ１０Ｘ１を配設する。配
設に際しては、インサート材５の絶縁性Ａｆ！２０３セ
ラミックス３の面ｊ：Ｐｂｏ／Ｂ２Ｏ３／Ａ１２０３　
／Ｓ　ｔｏｚ系酸化物ソルダーからなる接合剤６を塗布
し、またインサート材５のメタライズ層１ｏと金属部材
２２との間に銀ろうの接合剤７を介在させる。つぎに、
以上の各部材からなる構成体を、接合方向に約０．１Ｍ
　Ｐ　ａの圧力Ｐを加えて固定する。

このような構成において、接合雰囲気を大気とし、他の
接合条件を実施例１と同様にした結果、せん断試験で約
５　ｋｇ　／　ｍ＋ｓ　２の強度を得た。

本実施例のメタライズ層を形成する目的は、インサート
材の絶縁性セラミックスと金属部材側に設けた接合剤と
のぬれ性を改善するためであり、その形成方法としては
、酸化銅法または硫化銅法により形成したＣｕ層にＮｉ
メツキを施す他に、テレフンケン法により形成したＭｏ
層にＮｉメツキを施す方法がある。

実施例４ 第４図は、本発明の第２の接合方法の他の実施例を示す
概略断面図であって、セラミックスと金属との接合に際
して、熱応力緩和を・考慮した場合を示している。まず
、被接合セラミックス２１をＳ　ｉ　ａ　Ｎ　４セラミ
ツクス（φ１ｏ×５龍）、金属部材２２を鋼（φ１０Ｘ
５１０Ｘ５とし、この間に、５１３Ｎ４セラミックス３
内ｉ、＝ｓｉ３Ｎ４とＴｉＮとからなる複合セラミック
スの発熱体４を一体焼結し、その金属部材２２側にＴ　
ｉ　／　Ａ　ｇ　／　Ｃｕ活性金属ろうの接合剤１２を
介してＷＣ合金の熱応力緩和部１１を設けた電気接合用
インサート材５（φ１０Ｘ１０Ｘ５を配設する。配設に
際しては、インサート材５の両面にＴ　ｉ　／　Ａ　ｇ
　／　Ｃｕ活性金属ろうの接合剤６．７を塗布した。つ
ぎに以上の構成体からなる構成体を、接合方向に約０．
１Ｍ　Ｐａの圧力Ｐを加えて固定する。

このような構成において、接合条件を実施例と同様にし
た結果、せん断試験で約７　ｋｇ　／　ｍ＋ｗ　２の強
度を得た。

本実施例の熱応力緩和部材を設ける目的は、被接合セラ
ミックス２１と金属部材２２との熱膨張係数が大きくな
ると、残留応力が発生し、強度が低下する虞れがあるた
めである。この緩和部材としては、被接合セラミックス
２１、発熱体４を埋設したセラミックス３、緩和部材１
１及び金属部材２２の熱膨張係数を各々αｌ、α２．α
３．α４とするとその関係がα１≦α２くα３くα４と
なる材料またはＡ１．Ｃｕなどの軟金属を、単独または
併用して用いられる。また、その構造は単層または複数
層になることもある。

実施Ｍ　５ 本実施例は、請求項１，３に対応する。

第５図（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の接合方法に適
用される電気接合用インサート材を示す概略横断面図及
び縦断面図である。図において、円板状（φ１０Ｘ１０
Ｘ１の絶縁性Ａｊ！２０３セラミックス３のグリーンに
、Ｍｏを主成分とするベーストをスクリーン印刷した渦
巻状の発熱体４が形成され、その両端に接続されている
通電端子４ａ、４ｂが上記のグリーンから突出している
。そして、端子４ａ、４ｂを除く面全体にＡｌ２Ｏ３セ
ラミックス３のスラリーを塗布し、発熱体４を埋設して
一体焼結する。その後、ＡＪ２２０３セラミックス３０
両接合面を適宜に研削し、厚みを調整した後、必要に応
じて接合剤６，７が設けられる。なお、端子４ａ、４ｂ
は発熱体４と同種であれば、その断面積を大にし、また
異種であれば、より抵抗値の低いものを選択して、その
接続部分での発熱を小さくする必要がある。

実施例６ 本実施例は、請求項２．３に対応する。

第６図は、本発明の第２の接合方法に適用される電気接
合用インサート材を示す概略縦断面図であって、実施例
５に示される発熱体４を埋設して一体焼結したＡＪ！２
０３セラミックスの片面に、例えばＣｕを主成分とする
層にＮｉメツキしたメタライズ層１０を形成する。また
は、ｗｃ合金の熱応力緩和部材１１を予め接合しておく
。その後、必要に応じてその両面に接合剤６．７を設け
る。

以上の実施例５．６において、発熱体４としては、必要
な接合温度以内で溶断しない材料、例えばｐｔ、Ｗなト
ノ金属発熱体、Ｍｏ　Ｓ　ｉ２　、　ＷＳｉ２などのケ
イ化物、黒鉛、ＳｉＣ，ＴｉＣなどの炭化物、ＴｉＮ、
ＺｒＮなどの窒化物、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２などのホウ化
物、またはこれらの導電性物質と絶縁性物質からなる複
合材料などの耐熱性導電材料が使用でき、接合面を均一
に加熱できるように、例えば線状または薄板状にして配
置される。

また、絶縁性セラミックス３としては、接合工程中で溶
融などにより絶縁性が失われない材料、例えばアルミナ
、ムライトなどの酸化物セラミックス、ＡｆｌＮ、Ｓ　
ｉ３　Ｎ４　、サイアロンなどの窒化物セラミックス、
または発熱体４に比べて２桁以上大きな抵抗率を有する
導電性セラミックス、例えば高抵抗のＳｉＣが使用でき
る。

さらに、端子４ａ、４ｂを除いて発熱体４を絶縁性セラ
ミックス３に埋設したインサート材の作成方法として、
絶縁性セラミックス３と発熱体４の熱膨張係数が大きく
異なる場合、絶縁性セラミックスのグリーン状のときに
、溝を付け、その溝に沿って発熱体を配置し、端子４ａ
、４ｂを除く面全体にもう一つの絶縁性セラミックスの
グリーンを重ね、一体焼結した後、端子部を気密シール
する。したがって、端子部のみが固定されることになる
ので、加熱時の熱膨張差による割れを防止することがで
きる。また、上記係数が比較的近い場合、グリーン状の
絶縁性セラミックス上にスクリーン印刷などにより発熱
体４を塗布し、その上にもう一つの絶縁性セラミックス
原料を塗布、成形した後、一体焼結することもできる。

上記の作成方法以外に、焼結後の２枚の絶縁性セラミッ
クス間に発熱体を設けた後、接合温度よりも耐熱性の高
い絶縁性接合剤による埋設一体化しても良い。

〈発明の効果〉 本発明の請求項１，２の効果は、被接合部材への通電電
流の分流が防止されるので、被接合部材の突合せ部及び
その近傍を集中的かつ均一に加熱させることができる。

また、導電性接合剤を含む種々の接合剤に対して適用可
能であるため、被接合部材の種類に応じて最適な接合剤
を選択できる。

さらに、突合せ部及びその近傍のみを直接加熱するよう
にしたので、被接合セラミックス全体の劣化を最小限に
とどめることができ、かつ加熱効率が高く、短時間接合
、設備費の低減、ランニングコストの低減が可能である
という実用上の価値が大である。

特に、請求項１については、金属などの導電性を有する
被接合部材とを接合する場合に、また請求項２について
は、金属とを接合する場合に、本発明が最大限に発揮さ
れる。

また、請求項１については、絶縁性セラミックス同士を
接合する場合、発熱体の回りに高強度の絶縁性セラミッ
クスを配置しているので、接合強度が向上する。

請求項３の効果は、発熱体を絶縁性セラミックスに埋設
したインサート材、またはこのインサート材にメタライ
ズ層を形成あるいは熱応力緩和部材とを一体化して、必
要に応じてその両面に接合剤を設けることにより、取扱
い及び接合時の位置合せが容易になり、接合工程を簡略
することができ、また現場作業が容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、それぞれ本発明の第１の接合方法
を示す実施例及び他の実施例の概略断面図である。 第３図及び第４図は、それぞれ本発明の第２の接合方法
を示す実施例及び他の実施例の概略断面図である。 第５図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第１の接合
方法に適用される電気接合用インサート材を示す概略横
断面図及び縦断面図である。 第６図は、本発明の第２の接合方法に適用される電気接
合用インサート材を示す概略縦断面図である。 １．２　（２Ｎ・・・被接合部材、３・・・絶縁性セラ
ミックス、４・・・発熱体、４ａ、４ｂ・・・通電端子
、５・・・電気接合用インサート材、１０・・・メタラ
イズ層、１１・・・熱応力緩和部材、２１・・・被接合
セラミックス、２２・・・金属部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミックスと金属またはセラミックス同士の電気
   接合方法において、被接合部材間に、通電端子を除いて
   発熱体が埋設された絶縁性セラミックスを備えた電気接
   合用インサート材を介在させて突合せ、前記通電端子間
   に電流を通じることにより、前記発熱体に生じるジュー
   ル熱によって、前記突合せ部及びその近傍を直接加熱し
   て接合する電気接合方法。 ２、セラミックスと金属との電気接合方法において、被
   接合セラミックスと金属部材との間に、通電端子を除い
   て発熱体が埋設された絶縁性セラミックスの片面にメタ
   ライズ層または少なくとも一層からなる熱応力緩和部材
   を備えた電気接合用インサート材を介在させて突合せ、
   前記通電端子間に電流を通じることにより、前記発熱体
   に生じるジュール熱によって、前記突合せ部及びその近
   傍を直接加熱して接合する電気接合方法。 ３、請求項１または請求項２記載の通電端子を除いて発
   熱体が埋設された絶縁性セラミックスを備え、または前
   記絶縁性セラミックスの片面にメタライズ層もしくは少
   なくとも一層からなる熱応力緩和部材を備えた電気接合
   用インサート材。